JP6044314B2 - ボイラシステム - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、ボイラを、台数増加負荷ゾーン、最適運転負荷ゾーン及び台数減少負荷ゾーンの3つの負荷ゾーンに区分し、ボイラが台数増加負荷ゾーンで燃焼している場合に燃焼させるボイラの台数を増加させ、ボイラが台数減少負荷ゾーンで燃焼している場合に燃焼させるボイラの台数を減少させることで、ボイラ効率(ボイラによる熱の利用効率)を向上させる比例制御ボイラの制御方法が提案されている。そして、この特許文献1で提案された比例制御ボイラの制御方法では、燃焼させるボイラの台数の増減を行った後には、燃焼している全てのボイラを均等な負荷率で運転させている。
式1:n−1<R(t)≦n(nは、1以上の整数値)
式2:n≦R(t)<n+1(nは、−1以下の整数値)
まず、本発明のボイラシステム1の全体構成につき、図1を参照しながら説明する。
ボイラシステム1は、複数(5台)のボイラ20を含むボイラ群2と、これら複数のボイラ20において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ6と、この蒸気ヘッダ6の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ7と、ボイラ群2の燃焼状態(負荷率)を制御する制御部4を有する台数制御装置3と、を備える。
蒸気ヘッダ6は、蒸気管11を介してボイラ群2を構成する複数のボイラ20に接続されている。この蒸気ヘッダ6の下流側は、蒸気管12を介して蒸気使用設備18に接続されている。
蒸気ヘッダ6は、ボイラ群2で生成された蒸気を集合させて貯留することにより、複数のボイラ20の相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が調整された蒸気を蒸気使用設備18に供給する。
ボイラシステム1において要求される負荷(要求負荷)は、蒸気使用設備18における蒸気消費量である。台数制御装置3は、この蒸気消費量の変動に対応して生じる蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧の変動を、蒸気圧センサ7が測定する蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧(物理量)に基づいて算出し、ボイラ群2を構成する各ボイラ20の燃焼量(負荷率)を制御する。
本実施形態のボイラ20は、燃焼量(負荷率)を連続的に変動して燃焼可能な比例制御ボイラからなる。
比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態S1(例えば、最大燃焼量の20%の燃焼量における燃焼状態)から最大燃焼状態S2の範囲で、燃焼量が連続的に制御可能とされているボイラである。比例制御ボイラは、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度(燃焼比)を制御することにより、燃焼量を調整するようになっている。
より具体的には、複数のボイラ20それぞれには、変動可能な蒸気量の単位である単位蒸気量Uが設定されている。これにより、ボイラ20は、最小燃焼状態S1から最大燃焼状態S2の範囲においては、単位蒸気量U単位で、蒸気量を変動可能となっている。なお、以下では、ボイラ20の最小燃焼状態S1における蒸気量を最小蒸気量と呼び、ボイラ20の最大燃焼状態S2における蒸気量を最大蒸気量と呼ぶ。
尚、出力蒸気量とは、ボイラ群2により出力される蒸気量を示し、この出力蒸気量は、複数のボイラ20それぞれから出力される蒸気量の合計値により表される。
台数制御装置3は、蒸気圧センサ7からの蒸気圧信号に基づいて、要求負荷に応じたボイラ群2の必要燃焼量、及び必要燃焼量に対応する各ボイラ20の燃焼状態を算出し、各ボイラ20(後述のローカル制御部22)に台数制御信号を送信する。この台数制御装置3は、図1に示すように、記憶部5と、制御部4と、を備える。
ローカル制御部22は、要求負荷に応じてボイラ20の燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部22は、信号線16を介して台数制御装置3から送信される台数制御信号に基づいて、ボイラ20の燃焼量を制御し負荷率を変動させることで、燃焼状態を変更する。
また、ローカル制御部22は、台数制御装置3で用いられる信号を、信号線16を介して台数制御装置3に送信する。台数制御装置3で用いられる信号としては、ボイラ20の実際の燃焼状態、及びその他のデータが挙げられる。
詳しくは後述するが、本実施形態では、複数のボイラ20のうちの1のボイラ20のみを要求負荷に応じて負荷率を変動させて燃焼させ、他のボイラ20を負荷率を変動させることなく固定的な負荷率で燃焼させる。以下、負荷率を変動させて燃焼するボイラ20を調整運転ボイラと呼び、固定的な負荷率で燃焼するボイラ20を定常運転ボイラと呼ぶ。
また、定常負荷率設定部41は、全てのボイラ20が燃焼している状態で全てのボイラ20の負荷率が設定した定常運転ポイントに到達した場合、設定した定常運転ポイントを上方にシフトする。例えば、ボイラ群2を構成する5台のボイラ20の負荷率が50%に到達すると、定常負荷率設定部41は、定常運転ポイントを負荷率50%から80%にシフトする。
ボイラ台数制御部44は、調整運転ボイラの負荷率が第1負荷率に達した場合に、燃焼させるボイラ20の台数を1台増加させる。
なお、ボイラ設定部43による調整運転ボイラ/定常運転ボイラの設定、及びボイラ台数制御部44による燃焼させるボイラ20の増加の詳細については、図4〜図9で後述する。
出力蒸気量算出部46は、ローカル制御部22から送信される各ボイラ20の燃焼状態に基づいて、ボイラ群2により出力される蒸気量である出力蒸気量を算出する。
また、偏差算出部47は、後述の出力制御部49により、調整運転ボイラの蒸気量が変動された場合には、必要蒸気量と、蒸気量変動後のボイラ群2の出力蒸気量と、の偏差量を算出する。
出力制御部49は、判定部48により偏差量が単位蒸気量U以上であると判定された場合に、調整運転ボイラの蒸気量を変動させる。具体的には、出力制御部49は、必要蒸気量が出力蒸気量よりも大きい場合、調整運転ボイラの蒸気量を単位蒸気量U分増加させる。また、出力制御部49は、必要蒸気量が出力蒸気量よりも小さい場合、調整運転ボイラの蒸気量を単位蒸気量U分減少させる。
図4〜図7は、制御方法のパターン1の動作を示し、調整運転ボイラの負荷率が変動範囲の上限に達することを条件に燃焼させるボイラ20を増加することを特徴とする。図8〜図10は、制御方法のパターン2の動作を示し、調整運転ボイラの負荷率が変動範囲の下限の2倍に達することを条件に燃焼させるボイラ20を増加することを特徴とする。
図4(1)を参照して、1号機ボイラから5号機ボイラのうち、1号機ボイラのみが燃焼し、その他のボイラ20が燃焼を停止している。このとき、燃焼しているボイラ20が1号機ボイラのみであるため、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、1号機ボイラを調整運転ボイラとして設定する。即ち、1号機ボイラの負荷率を変動範囲内で変動させることで、要求負荷の変動に対してボイラ群2の出力蒸気量を追従させる。
このとき、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、既に燃焼していた1号機ボイラを定常運転ボイラとして設定し、その後は、負荷率を変動させることなく定常運転ポイントに対応する負荷率(50%)で燃焼させる。一方、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、燃焼を開始した2号機ボイラを調整運転ボイラとして設定する。
その後、2号機ボイラは、負荷率を変動範囲内で変動させることで、要求負荷の変動に対してボイラ群2の出力蒸気量を追従させる。
このとき、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、既に燃焼していた1号機ボイラ及び2号機ボイラを定常運転ボイラとして設定し、その後は、負荷率を変動させることなく定常運転ポイントに対応する負荷率で燃焼させる。一方、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、燃焼を開始した3号機ボイラを調整運転ボイラとして設定する。なお、変動範囲の上限(80%)で燃焼していた2号機ボイラの負荷率が、定常運転ポイント(50%)になっていることから、図5(5)に示すように、3号機ボイラは、その差分である30%の負荷率で燃焼を開始することになる。
その結果、図5(6)に示すように、全てのボイラ20が燃焼している状態で、1号機ボイラ〜4号機ボイラの4台が定常運転ボイラとして設定され、定常運転ポイントに対応する負荷率で運転し、5号機ボイラが調整運転ボイラとして設定され、負荷率を変動して燃焼することになる。
なお、定常運転ボイラは、定常運転ポイントに対応する負荷率で燃焼することになることから、シフト後の定常運転ポイントもボイラ効率が高いことが好ましい。また、定常運転ポイントの変動(シフト)を頻繁に行うと固定的な負荷率で燃焼する定常運転の利点が減少することから、シフトする量を細かくしすぎるのは好ましくない。そこで、本実施形態では、ボイラ効率が第1閾値を超えるとして予め設定された変動範囲の上限値まで定常運転ポイントをシフトすることとしている。具体的には、台数制御装置3の制御部4(定常負荷率設定部41)は、定常運転ポイントを50%から80%にシフトする。
このとき、台数制御装置3の制御部4(出力制御部49)は、定常運転ボイラ(1号機ボイラ〜4号機ボイラ)をシフト前の定常運転ポイント(50%)で燃焼させたまま、調整運転ボイラ(5号機ボイラ)をシフト後の定常運転ポイント(80%)まで上昇させることで、要求負荷に対してボイラ群2の出力蒸気量を追従させる。
図7では、1号機ボイラの次に2号機ボイラが調整運転ボイラとして設定され、2号機ボイラの次に3号機ボイラが調整運転ボイラとして設定され、3号機ボイラの次に4号機ボイラが調整運転ボイラとして設定されている。その結果、図7(9)では、定常運転ボイラとして設定された1号機ボイラ〜3号機ボイラ及び5号機ボイラがシフト後の定常運転ポイント(80%)で燃焼し、調整運転ボイラとして設定された4号機ボイラが変動範囲内で負荷率を変動して燃焼している。
図8(1)を参照して、1号機ボイラから5号機ボイラのうち、1号機ボイラのみが燃焼し、その他のボイラ20が燃焼を停止している。このとき、燃焼しているボイラ20が1号機ボイラのみであるため、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、1号機ボイラを調整運転ボイラとして設定する。即ち、1号機ボイラの負荷率を変動範囲内で変動させることで、要求負荷の変動に対してボイラ群2の出力蒸気量を追従させる。
また、燃焼するボイラ20を増加すると、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、変動範囲の下限の負荷率で燃焼する1号機ボイラ及び2号機ボイラのうちのいずれかを調整運転ボイラとして設定し、他方を定常運転ボイラとして設定する。そして、台数制御装置3の制御部4(出力制御部49)は、調整運転ボイラの負荷率を変動範囲内で変動させる一方で、定常運転ボイラの負荷率を変動範囲の下限に固定して燃焼させる。なお、図8(3)では、1号機ボイラが調整運転ボイラとして設定され、2号機ボイラが定常運転ボイラとして設定されている。
また、燃焼するボイラ20を増加すると、台数制御装置3の制御部4(ボイラ設定部43)は、変動範囲の下限の負荷率で燃焼する2号機ボイラ及び3号機ボイラのうちのいずれかを調整運転ボイラとして設定し、他方を定常運転ボイラとして設定する。なお、図9(6)では、2号機ボイラが調整運転ボイラとして設定され、3号機ボイラが定常運転ボイラとして設定されている。
この図10(8)以降の動作は、パターン1の動作と同様であり、台数制御装置3の制御部4(定常負荷率設定部41)は、定常運転ポイントを50%から80%にシフトする。また、その後、全てのボイラ20の負荷率がシフト後の定常運転ポイントに到達すると、図10(9)に示すように、台数制御装置3の制御部4(定常負荷率設定部41)は、定常運転ポイントを80%から100%にシフトする。
なお、定常運転ボイラの固定的な負荷率は、ボイラ効率が最も良い負荷率(50%)から上方にシフトすることになるが、シフト後の定常運転ポイントも変動範囲内に存在するため、シフトした後もボイラシステム1全体におけるシステム効率を高く維持することができる。特に、シフト後の定常運転ポイントを変動範囲の上限に設定することで、定常運転ポイントをシフトする頻度を抑えることができ、定常運転の利点を損なうことがない。
一方、パターン2の動作では、調整運転ボイラの負荷率が変動範囲の下限の2倍になることを条件に燃焼するボイラ20を増加することとしているため、ボイラ20を増加した後に、既に燃焼していたボイラ20及び増加したボイラ20の双方を、ボイラ効率の良い変動範囲内(下限)で燃焼することができる。これにより、燃焼するボイラ20を増加した場合に全てのボイラ20を効率良く燃焼することができ、ボイラシステム1全体における効率を高めることができる。
(6)また、全てのボイラ20が燃焼している状態で調整運転ボイラの負荷率がシフト後の定常運転ポイントまで達した場合に、該調整運転ボイラ以外のボイラ20のうちのいずれかを調整運転ボイラに設定する構成とした。
これにより、当初設定した定常運転ポイント及び変動範囲が要求負荷の変動に対して適切でなくなった場合であっても、要求負荷の変動に対して追従することができる。
バーナの燃焼により蒸気を生成するボイラ20では、負荷率の変動指示に対して実際の負荷率の変動が所定の応答時間分遅れてしまう。ここで、第1実施形態に係るボイラシステム1では、要求負荷の変動に対して1台の調整運転ボイラの負荷率を変動することとしているが、要求負荷が急激に変動した場合には、必ずしも1台では対応しきれないことがある。そこで、第2実施形態に係るボイラシステム1では、要求負荷の変動に応じて調整運転ボイラの台数を異ならせることとしている。即ち、第2実施形態に係るボイラシステム1では、要求負荷の変動量が調整運転ボイラの応答速度を超える場合には、2台以上のボイラ20を調整運転ボイラとして設定し、要求負荷の変動に対して対応する。以下、具体的に説明する。
第2実施形態に係る台数制御装置3の記憶部5は、ボイラ20毎の応答速度を記憶する。即ち、記憶部5は、複数のボイラ20のそれぞれについて、単位時間当たりの負荷率の最大変動量(Vmax)を記憶する。なお、負荷率の変動には、負荷率が上昇する場合と負荷率が低下する場合とが含まれるため、記憶部5は、負荷率が上昇する場合の最大変動量及び負荷率が低下する場合の最大変動量を記憶することが好ましい。
n−1<R(t)≦n(nは、1以上の整数値)・・・式1
n≦R(t)<n+1(nは、−1以下の整数値)・・・式2
そして、ボイラ設定部43は、決定した台数分のボイラ20を調整運転ボイラとして設定する。即ち、ボイラ設定部43は、既に調整運転ボイラとして設定されているボイラ20に加え、定常運転ボイラとして設定されたボイラ20の中の所定数を調整運転ボイラとして設定する。
例えば、上記実施形態では、本発明を、3台の又は5台のボイラ20からなるボイラ群2を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。即ち、本発明を、6台以上のボイラからなるボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよく、また、2台のボイラからなるボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよい。
2 ボイラ群
20 ボイラ
4 制御部
41 定常負荷率設定部
42 変動範囲設定部
43 ボイラ設定部
44 ボイラ台数制御部
Claims (7)
- 負荷率を連続的に変動して燃焼可能な複数のボイラを備えるボイラ群と、要求負荷に応じて前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、
前記制御部は、
前記複数のボイラに対して定常運転ポイントを設定する定常負荷率設定部と、
前記複数のボイラに対して前記定常運転ポイントを含む負荷率の範囲である変動範囲を設定する変動範囲設定部と、
燃焼状態にあるボイラのうちの1台を、要求負荷の変動に応じて前記変動範囲内で負荷率を変動して燃焼させる調整運転ボイラに設定し、該調整運転ボイラ以外のボイラを要求負荷の変動にかかわらず固定的な負荷率で燃焼させる定常運転ボイラに設定するボイラ設定部と、
前記調整運転ボイラの負荷率が第1負荷率に達した場合に、燃焼させるボイラの台数を1台増加させるボイラ台数制御部と、を備え、
前記定常負荷率設定部は、全てのボイラが燃焼している状態で全てのボイラの負荷率が前記定常運転ポイントに対応する負荷率に到達した場合、前記定常運転ポイントを上方にシフトし、
前記制御部は、前記定常運転ボイラをシフト前の前記定常運転ポイントに対応する負荷率で燃焼させたまま、前記調整運転ボイラをシフト後の前記定常運転ポイントまで上昇させることで、要求負荷に応じて前記ボイラ群の燃焼状態を制御するボイラシステム。 - 前記ボイラ台数制御部は、前記調整運転ボイラの負荷率が前記変動範囲の上限に達した場合に、燃焼させるボイラの台数を1台増加させ、
前記ボイラ設定部は、前記ボイラ台数制御部により燃焼させるボイラの台数が増加された場合、新たに燃焼を開始したボイラを前記調整運転ボイラに設定し、
前記制御部は、前記調整運転ボイラ以外の前記定常運転ボイラを前記定常運転ポイントに対応する負荷率で燃焼させる、請求項1に記載のボイラシステム。 - 前記ボイラ台数制御部は、前記調整運転ボイラの負荷率が前記変動範囲の下限の2倍に達した場合に、燃焼させるボイラの台数を1台増加させ、
前記制御部は、前記ボイラ台数制御部により燃焼させるボイラの台数が増加された場合、前記調整運転ボイラ及び新たに燃焼を開始したボイラを前記変動範囲の下限で燃焼させ、
前記ボイラ設定部は、前記変動範囲の下限で燃焼する前記調整運転ボイラ及び前記新たに燃焼を開始したボイラのうちのいずれかを新たな調整運転ボイラとして設定する、請求項1に記載のボイラシステム。 - 前記ボイラ設定部は、前記新たな調整運転ボイラの負荷率が前記定常運転ポイントに対応する負荷率に達すると、前記変動範囲の下限で燃焼するボイラを調整運転ボイラとして設定する、請求項3に記載のボイラシステム。
- 前記ボイラ設定部は、全てのボイラが燃焼している状態で前記調整運転ボイラの負荷率がシフト後の前記定常運転ポイントまで達した場合に、該調整運転ボイラ以外のボイラのうちのいずれかを調整運転ボイラに設定する、請求項4に記載のボイラシステム。
- 前記複数のボイラにおける単位時間あたりの負荷率の最大変動量(Vmax)を記憶する記憶部を更に備え、
前記制御部は、
要求負荷の変動に基づいて、単位時間後の前記ボイラ群の負荷率を算出する変動負荷率算出部と、
前記変動負荷率算出部が算出した単位時間後のボイラ群の負荷率と、現在のボイラ群の負荷率とから、要求負荷の変動に対応して必要とされる前記ボイラ群の単位時間あたりの負荷率の変化率(V(t))を算出する変化率算出部と、を更に備え、
前記ボイラ設定部は、前記変化率算出部により算出された変化率と、前記記憶部に記憶された最大変動量との比(R(t)=V(t)/Vmax)が、下記式1又は式2に示す関係を満たした場合、|n|台のボイラを前記調整運転ボイラに設定する請求項1〜5のいずれかに記載のボイラシステム。
式1:n−1<R(t)≦n(nは、1以上の整数値)
式2:n≦R(t)<n+1(nは、−1以下の整数値) - 前記記憶部は、前記複数のボイラにおける単位時間あたりの負荷率の最大変動量として、該負荷率が上昇する場合の最大変動量、及び該負荷率が低下する場合の最大変動量を記憶する請求項6に記載のボイラシステム。
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